（机械设计及理论专业论文）产品快速配置系统的研究与开发.pdf

1 。e l 。o 二 一 ad i s s e r t a t i o ni nm e c h a n i c a ld e s i g na n dt h e o r y t h er e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n to fp r o d u c t d i d ：o n f i g l t i o n r a p i dc o n l i g u r a u o ns y s t 。e m b y w uq i o n g s u p e r v i s o r ：a s s o c i a t ep r o f e s s o ry a n g h u i l i n n o r t h e a s t e r nu n i v e r s i t y j a n u a r y 2 0 0 8 气 j 独创性：声明 本人声明，所呈交的学位论文是在导师的指导下完成的。论文中取得 的研究成果除加以标注和致谢的地方外，不包含其他人己经发表或撰写过 的研究成果，也不包括本人为获得其他学位而使用过的材料。与我一同工 作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中作了明确的说明并表示谢 意。 学位论文作者签名：灵寐 。 日期：z o o 莎l - i 目i 殴 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者和指导教师完全了解东北大学有关保留、使用学位论 文的规定：即学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和 磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人同意东北大学可以将学位论文的全部 或部分内容编入有关数据库进行检索、交流。 ( 如作者和导师不同意网上交流，请在下方签名；否则视为同意。) 学位论文作者签名： 签字日期： 导师签名： 签字日期： 一，一 东北大学硕士学位论文摘要 产品快速配置系统的研究及开发 摘要 大规模定制生产( m a s sc u s t o m i z a t i o n ) 是近年来广受关注的新型生产模式，被认为是 2 1 世纪的制造业的发展趋势。大规模定制设计( d f m c ) 是实现大规模定制生产的产品设 计方法。d f m c 主要采用并行流程和产品族的思想进行设计，其中建立合理的产品族模 型，并基于产品族模型进行变型设计是实现大规模定制设计的关键技术之一，而产品配 置是实现d f m c 产品交型设计的重要方法。因此，对基于d f m c 的产品配置理论及其设 计工具的研究具有重要意义。 论文中分析了功能需求在产品设计与制造中的作用，阐述了产品功能需求信息的获 取和建模方法。针对目前功能需求信息获取与描述方法的不足，建立了基于w e b 的产品 功能需求交互模型，通过对功能需求信息的模糊表达与映射，实现了模糊框架推理与基 于规则的配置推理方法。之后对产品设计中产品模块和产品族进行定义，分析了产品族 的功能以及产品族原理和产品族结构，分析了面向配置变型的设计的特点。在论述了产 品族模型基本理论的基础上，提出了面向产品快速变型配置的产品族动态模型。论文在 分析大规模定制设计( d f m c ) 研究现状及其关键技术的基础上，对基于d f m c 的产品配置 原理、配置规则以及配置管理等一系列内容进行了深入研究；以产品功能模块之间存在 的关联特征为基础，形成了基于配置规则的产品配置思想；建立了一种基于配置规则的 产品配置模型，并对基于配置规则的配置算法进行了研究；在此基础上，研发了一种通 用产品快速配置设计平台，并对通用产品配置设计工具的结构组成、各个功能模块的实 现以及数据库接口技术进行了详细介绍；最后以某电梯厂生产的扶梯产品快速配置设计 为例进行了实践，阐述了该配置工具的可行性和通用性。 关键词：d f m c ；产品需求功能信息获取；产品族；模块化；配置规则； 数据库接口技术；快速配置设计； - i i 一 ，00 一 、j；一 东北大学硕士学位论文 a b s t r a c t t h er e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n to fp r o d u c t r a p i dc o n f i g u r a t i o n s y s t e m - a b s t r a c t m a s sc u s t o m i z a t i o ni san e wm o d eo fp r o d u c t i o nb yt h ew i d e s p r e a dc o n c e r ni nr e c e n t y e a r s ，a n d i s r e g a r d e d a st h e21 s t c e n t u r yd e v e l o p m e n tt r e n d s i n t h em a n u f a c t u r i n g i n d u s t r y m a s sc u s t o m i z a t i o nd e s i g ni st h er e a l i z a t i o no fl a r g e s c a l ep r o d u c t i o no fc u s t o m i z e d p r o d u c td e s i g nm e t h o d d f m cm a i n l yu s e st h et h i n k i n go fp a r a l l e lp r o c e s s e sa n dt h ep r o d u c t f a m i l yd e s i g n ，w h i c he s t a b l i s hr e a s o n a b l ep r o d n e tf a m i l ym o d e l ，a n dm o d e l b a s e dp r o d u c t f a m i l yv a r i a n td e s i g ni s o n eo ft h ek e yt e c h n o l o g i e st oa c h i e v el a r g e s c a l ec u s t o m d e s i g n p r o d u c tc o n f i g u r a t i o ni st h ei m p o r t a n tm e t h o dt oa c h i e v ed f m cp r o d u c t sv a r i a n t d e s i g n t h e r e f o r e ，t h er e s e a r c ho fb a s e do nt h et h e o r yo fd f m cp r o d u c tc o n f i g u r a t i o na n d d e s i g nt o o l si so fv i t a ls i g n i f i c a n c e i nt h ep a p e rt h ef u n c t i o no ft h ef u n c t i o n a lr e q u i r e m e n t sh a v eb e e na n a l y z e di n t h ed e s i g n a n dm a n u f a c t u r eo fp r o d u c t s a i m i n ga tt h ec u r r e n tp r o b l e mo fl a c k i n gm e a n st oo b t a i na n d d e s c r i b e r e q u i r e m e n ti n f o r m a t i o n ，i t e s t a b l i s h e sa ni n t e r a c t i v ef u n c t i o n r e q u i r e m e n t c o m m u n i c a t i o nm o d e lb a s e do nw e bt e c h n o l o g y i tr e a l i z e sf u z z y - f r a m ec o n c l u d i n gm e t h o d a n dc o n f i g u r a t i o n a li n f e r r i n gm e t h o db a s e do nr e g u l a t i o n s a f t e rt h a t ，t h ec o n c e p t i o n so f p r o d u c tm o d u l ea n dp r o d u c tf a m i l yh a v e b e e nd e f i n e di np r o d u c td e s i g np r o c e s s i ta n a l y z e s t h ef u n c t i o n s ，p r i n c i p l e sa n ds t r u c t u r eo fp r o d u c tf a m i l y i tt h e na n a l y z e st h ef e a t u r e so f c o n f i g u r a t i o n - o r i e n t e dt r a n s f o r m a t i o nd e s i g n t h i sc h a p t e ra tl a s ti n t r o d u c e st h ed y n a m i c m o d e lo fc o n f i g u r a t i o n a lt r a n s f o r m a t i o no r i e n t e dp r o d u c tf a m i l yf o l l o w i n gt h ed i s c u s s i o no n f u n d a m e n t a lo f p r o d u c tf a m i l y t h i sp a p e rs u m m a r i z e st h er e s e a r c ho fd f m ca n d i t sd e s i g n m e t h o d s ；r e s e a r c h e st h ep r o d u c tc o n f i g u r a t i o nt h e o r yb a s e do nd f m c ；a n db u i l d sap r o d u c t c o n f i g u r a t i o nm o d e lb a s e do nc o n f i g u r a t i o nr u l e s ，a n dr e s e a r c ho nt h ec o n f i g u r a t i o n a l g o r i t h mb a s e do nc o n f i g u r a t i o nr u l e s ；d e v e l o p sag e n e r a lp r o d u c tc o n f i g u r a t i o nd e s i g nt o o l a n da n a l y z e st h ef u n c t i o n sa n dr e a l i z a t i o nt e c h n o l o g i e so fi t sc o n s t i t u e n tm o d u l e s ；i nt h ee n d ， a sa ne x a m p l e ，e s c a l a t o r c o n f i g u r a t i o nd e s i g ni sc a r r i e do u tt ov a l i d a t et h et o o l sf e a s i b i l i t y a n d u n i v e r s a l i t y k e yw o r d s ：d f m c ；p r o d u c tf u n c t i o n a ld e m a n da c e s st oi n f o r m a t i o n ；p r o d u c tf a m i l y ； m o d u l a r ；a l l o c a t i o nr u l e s ；d a t a b a s ei n t e r f a c et e c h n o l o g y ；r a p i dc o n f i g u r a t i o n d e s i g n ； i i i ，f 0j 、 l：j |3，_、 东北大学硕士学位论文目录 录 独创性声明j i 摘要i i a b s 仃a c t j i i i 第l 章绪论1 1 1 引言。j 1 1 2 产品功能需求信息建模技术。1 1 3 产品配置设计技术的研究现状2 1 3 1 产品配置设计描述和研究内容2 1 3 2 国内外产品配置方法研究状况4 1 4 课题来源。6 1 5 论文主要内容“7 1 6 本章小节8 第2 章产品需求信息的表达方法与模型建立9 2 1 弓i 言9 2 2 产品需求信息获取方法与建模10 2 2 1 产品需求信息获取方法l o 2 2 2 产品需求的相似性判断。j 1 2 2 2 3 产品需求的一致性检查1 4 2 3 产品需求信息的模糊表达方法1 5 2 3 1 需求信息的模糊表达1 5 2 3 2 需求映射的模糊规则1 6 2 4 需求与产品配置的关系1 7 2 5 基于w e b 的需求交互模型的建立1 8 2 6 本章小节1 9 第3 章产品配置变型的产品族模型建立2 0 3 1 引言2 0 3 2 产品族的基本概念2 1 一 -|；j 匕大学硕士学位论文目录 3 2 1 产品模块化2 1 3 2 2 产品族模型2 2 3 2 3 产品族规划2 3 3 2 4 产品族与产品配置的关系2 4 3 3 面向产品配置变型设计的产品族模型建立2 6 3 3 1 面向产品配置变型设计定义与分类2 6 3 3 2 面向产品配置变型设计的设计模式“2 6 3 3 3 面向产品配置变型设计与传统设计的区别2 8 3 4 产品族动态模型的建立。2 9 3 5 本章小节3 1 第4 章大规模定制下的产品配置3 2 4 1 引言_ 3 2 4 2 产品配置的原理3 2 4 3 配置设计的基础3 4 4 3 1 设计模块化3 5 4 3 2 设计标准化和规范化3 5 4 3 3 设计参数化3 6 4 4 产品配置规则3 6 4 4 1 配置规则的概念3 6 4 4 2 基于配置规则的配置算法3 7 4 5 产品配置管理3 8 4 6 本章小结3 9 第5 章产品快速配置平台开发环境与接口技术4 0 5 1 引言：4 0 5 2 开发工具的选择：。4 0 5 2 1p r o e n g i n e e rw i l d 矗r e3 0 简介o 4 0 5 2 2p r o e _ n g i n e e r 基本特点4 1 5 2 3 基于p r o t o o l k i t 二次开发4 2 5 3 通用产品快速配置设计工具设计思想及工作流程4 3 5 4 产品快速配置设计系统的功能模块设计4 5 5 4 1 标准件功能模块设计o 4 5 5 4 2 变化件模板的设计4 6 5 4 3 物料清单b o m 模块4 6 5 4 4 工程图模块的设计4 8 5 5 系统数据库接口技术4 8 v 东北大学硕士学位论文目录 + 5 5 1 数据库与j b u i l d e r 的接口4 8 5 5 2 数据库与v c + + 的接口一a d o 技术5 1 5 6 本章小结5 1 第6 章以扶梯为例阐述快速配置平台5 2 6 1 扶梯设计系统运行环境5 2 6 2 功能需求的表达5 2 6 3 扶梯快速配置设计平台登录界面5 5 6 4 扶梯快速变型配置实例5 6 6 5 本章小结6 2 第7 章论文结论与展望6 3 7 1 全文结论j 6 3 7 2 未来展望6 3 参考文献6 5 致谢6 7 v i ， 。fjp 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 1 1 引言 第1 章绪，论 制造业的生产模式和市场竞争焦点随着社会生产力发展水平和科学技术的进步而不 断地改变，尤其是信息技术的飞速发展，生产模式的进化历程已经进入了一个新的变革 时期。面对国际化的快速多变且无法预测的买方市场，以及客户需求从单一化向个性化、 多样化方向的转变，大批量生产模式显得行动迟缓和被动。另一方面，产品及其制造过 程中信息和知识要素的增值，正日益成为主宰新产品竞争力的决定性因素。一个新产品 的竞争能力主要体现在产品设计中新知识的含量，而不仅仅是传统的质量、价格、服务 等因素。知识化、个性化以及敏捷化己经成为当代制造业在产品设计中必须遵从的原则。 大批量定( m a s sc u s t o m i z a t i o n ，m c ) 就是在这样的背景下产生的，目的是要根据每个客户 个性化的需求以大规模生产的低成本和高效率提供定制产品和服务的一种生产模式。而 产品配置设计( p r o d u c tc o n f i g u r a t i o nd e s i g n ) 是实现大批量定制的使能和核心设计技术之 一，是大批量定制下的产品快速开发设计所需要的关键技术，能够实现满足客户的个性 化需求产品的快速开发设计i l j 【2 j 。 利用客户的需求知识如何进行产品的配置设计，如何使得企业的产品能满足客户的 需求，如何进行产品快速配置设计是急需解决的问题，是本文研究的主要内容。 ，1 2 产品功能需求信息建模技术 功能需求的获取、定义和分解是大规模定制生产的关键技术之一。功能需求就是产 品功能效用的最大化，一般表现为客户这个主体对产品的功能、性能、质量、外观和价 格等等的感知和偏好，也包括对产品的非物化情感需求。设计活动中与功能需求相关但 又有区别的是产品需求，这是企业根据市场供需状态和企业内外部资源的条件和约束等， 在具体的产品开发过程中要考虑的各种相关要求的综合。面向大规模定制生产的产品设 计分为开发设计和配置变型设计两个阶段【3 】，并且开发设计阶段的目标针对产品族。只 有在开发过程充分获取、正确定义和分解功能需求，并在设计规范中准确地、完整地定 义产品需求，才能使所建立的产品族的支持产品配置变型阶段【4 j 。产品需求还需定义和 分解，形成产品开发过程中各项活动的目标，明确设计、生产、管理、销售服务等环节 的人员任务。功能需求和产品需求的功能形成空间不一样，前者是用户空间，后者是设 计者知识空间，但和功能需求一样，产品需求也来自产品生命周期各个阶段。一般来说， 求经分析形成可行需求，并把可行需求转化为产品需求信息，才有可能使所建立的产品 族模型有效地支持后续的产品配置变型设计。这个功能需求信息从采集到转换为设计规 范的过程，即以功能需求为输入，经过理解和分析提取，将功能需求映射到产品功能集， 再映射到实现产品功能的产品结构上的过程，就是需求信息建模。 1 3 产品配置设计技术的研究现状 1 3 1 产品配置设计描述和研究内容 国内外研究表明，产品配置设计技术是实现大批量定制设计一种行之有效的方法， 是否能够快速响应客户需求已经成为衡量企业在市场竞争力的标志之一，面向客户的产 品配置设计技术是实现这一目标的有效手段，不少学者从不同角度对这一领域进行了研 究。 产品配置设计思想最早由f r e e m a n 和n e w e l l 在1 9 7 1 年提出，利用功能推理方法来 细化设计，将设计分为识别问题( i d e n t i f i c a t i o np r o b l e m ) 和选择问题( s e l e c t i o np r o b l e m ) 。 识别是指利用组件( c o m p o n e n t s ) 结构和行为知识说明要设计对象的功能，选择是挑选那 些可以组合在一起并能实现所希望功能的组件 6 1 。产品配置定义有多种形式，广泛引用 的产品配置定义是由m i t t a l 和f m y m a n 在1 9 8 9 年提出，产品配置设计被描述为一个输入 输出系统。配置输入一个固定的、预定义的组件集合； 一2 - 东北大学硕士学位论文 第1 章绪论 配置的需求定义描述； 一些优化配置的标准。 配置输出：一个满足所有要求的配置结果集合( 该集合可能为空) ； 配置结果满足需求定义； 配置结果满足优化选择规则。 这里所指的每个组件都是由一个属性集、以及用来描述该组件和其它组件相互连接 的接口约束集来描述。也可以把产品配置定义为一个约束满足问题( c o n s t r a i n t s a t i s f a c t i o np r o b l e m - c s p ) 或动态约束满足问题( d y n a m i cc o n s t r a i n ts a t i s f a c t i o n p r o b l e m d c s p ) 等。 以上研究认为配置是组件的组合，组件是产品的配置的基本单元，组合在一起的组 件必须满足产品的配置规则。不同之处在于对组件间关系的理解和配置过程中有无新的 组件生成等方面。目前，国内外学者更倾向于中性的产品配置描述。国内有的学者把产 品配置的定义为：产品配置是以配置模型和需求模型为输入，以最终产品配置结果为输 出的一类设计活动，其中配置模型描述可能出现在配置结果中的组件及其相互关系；需 求模型描述最终产品应该满足的特定约束；配置结果描述最终产品的组件构成及相互关 系。从中性化和产品设计的角度出发，不涉及具体的配置应用领域，在一个更高的抽象 层次把产品配置理解为：产品配置是指以客户需求为输入，通过对产品配置模型的实例 化以产品的最终配置结果为输出的一类产品常规设计( r o u t i n ed e s i g n ) 活动等等。 产品配置设计的常用研究内容包括：配置设计对象、方法、原则和结果。具体的描 述如下： 配置设计对象：是固定的、预先定义的一系列产品结构集合，每一个产品结构包括 功能属性、结构属性、技术属性、零部件之间的约束关系。 配置设计方法和原则：以客户需求为输入集合，根据配置过程需要遵循的优化选择 原则。配置设计过程中产品结构的关系是固定的、预知的，配置设计过程中生成的新零 部件约束必须是明确的。 配置设计的结果：一个或者多个配置解，结果中包括产品结构集合，零部件之间的 相互关系及其描述。 如何设计出快速、高效配置出符合客户需求的产品是配置设计研究目标，研究的主 要内容包括配置设计知识库建模、配置知识和规则表达方法、问题求解方法、对配置方 法及产品配置可重用等。知识库建模理论为产品配置设计知识库的建立提供了方法指导。 知识库中知识级别分类包括：专业领域知识、推理知识和规则表达、任务知识等，这对 建立通用的产品配置设计系统有很好的指导意义。 配置知识和规则表达方法包括面向对象的知识建模、逻辑规则表达、基于本体论的 知识表达等。面向对象的知识建模以面向对象的思想为指导，通过知识表达概念，对象 之间的泛化关系、继承关系、聚集关系、实例化关系等。基于本体论的知识表达适用领 - 3 - 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 域知识的表达和重用，通过强调用领域中公认的概念来描述领域知识，提取和抽象了领 域知识概念。逻辑规则表达综合了对象表示法、配置规则表达和框架表达等。逻辑规则 善于推理，在配置过程中对产品零部件知识的推理可以用多规则表示。 配置求解方法包括基于实例的推理二基于概念的推理、逻辑程序、约束规范和满足 等。实例推理以领域知识为基础，减少搜索空间，提高求解效率。配置结果可以在一系 列知识库实例中选择得到，按照一定的匹配规则进行结果搜索，根据产品相似性贴近度 的高低进行选择，检测配置结果与需求约束的满足程度，并且进行冲突消减。 产品配置实施的基本目的是克服b o m 以及其它规范在产品定义方面的不足，提高 企业的订单录入功能和缩短产品的开发周期，又有助于通过自动配置检查、报价和生产 文档的准备解决企业内部资源的管理问题。 1 3 2 国内外产品配置方法研究状况 从2 0 世纪7 0 年代产品配置思想的诞生开始，到最近几年人们对产品配置理论和应 用的日益重视，产品配置的研究得到了巨大的发展。从产品配置研究的发展历程来看， 大体上可以分为三个阶段【7 】： ( 1 ) 第一个阶段是9 0 年代以前，这个时期主要是以特定行业领域配置系统的实现为 主，其标志是以x c o n 为代表的一批产品配置系统的诞生，这个期间理论上的研究不是 很多。 ( 2 ) 第二个阶段是大约到9 0 年代末的十年间。针对一些配置系统使用中出现的问题， 这个时期的研究相对进入了一个理论上的探索期。从m i t t a l 和f r a y m a n 提出产品配置的 概念开始，人们对产品配置的各个方面，如对配置本体、配置建模、配置问题求解、配 置产品知识的表示等方面进行了研究，并取得了丰硕的成果。同时，配置这个概念的外 延也扩大到了软件产品的配置、业务过程中的销售配置等。 ( 3 ) 第三个阶段是从9 0 年代末开始到现在。随着大规模定制生产 m c ( m a s s c u s t o m i z a t i o n ) 的出现以及p d m 的广泛使用，产品配置的研究日益与m c 和 p d m 结合起来，这体现在把产品配置看作是m c 中的关键技术和使能器，以及越来越多 的p d m 系统集成了产品配置功能。y m g l i e 研究了面向m c 和电子商务的产品配置问 题，u d o 研究了m c 中机电产品的模块化和面向功能的配置，并讨论了一些有用的配置 方法。 目前国内对产品配置虽有一些研究，但总体上还比较落后，相应的研究文献和应用 报道也很少。这些年来主要形成了以下这些研究成果： 清华大学的阴向阳【8 】从产品配置、产品结构和版本3 个方面分析了产品配置和产品 结构的联系与区别，利用两重递归实现了对子对象状态的查询和对产品配置对象进行转 化的两个子算法；苟凌怡等研究了i m a n 产品配置管理的方法：高磊实现了基于知识库 和规则的产品配置过程；汤文成等研究了面向敏捷制造的产品配置管理：顾新建等介绍一 4 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 种新的网上通用产品配置设计工具；谭建荣教授 9 1 针对大批量定制生产的特点，提出了 基于产品功能结构单元的产品配置模板和求解策略，实现了对客户配置需求的快速响应； 刘晓冰教授通过引入客户需求域和特征表达域的概念，为实现从客户的定制条件映射和 转化到产品具体结构特征这一过程提供了理论和方法，并建立了相应的层次型产品配置 模型。以上这些研究都极大地促进了产品配置的在国内的研究和发展。 近年来，越来越多的p d m 集成了产品配置功能，从事这方面的应用研究的国内外 公司主要有美国e d s g ) 公司、美国e d s ( s d r c ) 公司、美国p t c 公司、美国i b m 公 司、武汉天喻、清华埃克斯特、清华同方等，其产品配置管理的内容如下： ( 1 ) 美国e d s g ) 公司产品i m a a i m a n 中的产品配置管理是基于配置管理的产品结构管理模块( ( p r o d u c ts t r u c t u r e m a n a g e m e n t ，p s m ) o p s m 能访问各种工程信息，并支持在c a d 系统中进行“虚拟装配 ； p s m 通过制定不同的规则提供有效性管理；系统可以通过技术说明显示有多少零部件需 要进行配置管理；支持不同的配置规则，如版本规则、有效性规则和变量规则等。 ( 2 ) 美国e d s ( s d r c ) 公司的产品m e t a p h a s e m e t a p h a s e 的产品结构管理器执行工程材料明细表信息的捕捉，可以查看和操作图 形方式下正在设计的产品结构。高级产品配置模块可以提供系统产品结构的建立和管理 产品定义的多个视图。 ( 3 ) 美国p t c 公司的产品w i n d c h i l l w i n d c h i l l 的产品配置过程为首先创建一个通用部件( g e n e r a lp a r t ) ，然后得到一个通用产 品结构( g e n e r a lp a r ts 协l c t i l r e ) ，并在这个结构树上定义配置逻辑，最后通过配置得到需要 的产品。 ( 4 ) 美国i b m 公司的p r o d u c t m a n a g e r p r o d u c t - m a n a g e r 中的配置管理模块能对产品定义中的数据、产品结构、变量以及有 效性进行维护。产品结构浏览器使得用户能够使用图形化界面查看物料清单及相关的产 品定义数据。 ( 5 ) 武汉天喻公司的i n t e p d m i n t e p d m 中的产品配置管理功能为：实现在产品结构上进行配置，生成具体产品的 配置b o m 表；定义零部件之间的互换、替换、可选和冲突等关系，定义产品配置规则， 根据配置规则自动生成产品的配置；实现对b o m 表的进行分类、汇总、统计等不同处 理以及配置有效性的管理。 ( 6 ) 清华艾克斯特公司的x t p d m x t p d m 中通过产品配置支持基于原有产品的变型设计，支持基于配置规则的自动 或半自动的参数化配置。 ( 7 ) 清华同方p d m 清华同方p d m 中的产品结构管理支持产品系列化设计和变型设计，实现产品结构 - 5 - 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 的动态编辑和比较。在基本构型建立后，通过填写配置文件，给出要增删改的配置，创 建出基于基本型的产品结构，可按照客户订单快速组织设计和生产，实现可选件、替代 件、产品系列管理和产品状态管理。 尽管产品配置的研究和实现己取得了一定的成果，但现阶段产品配置还存在如下问 题： ( 1 ) 规则和约束的表达没有充分利用机械行业产品结构的层次化特点，设计知识的表 达缺乏良好组织，管理和维护困难，表达方法过于抽象。 ( 2 ) 产品结构的划分和组合不够灵活，对模块化设计和参数化设计支持不够。 ( 3 ) 对设计知识的访问困难，影响了产品配置的速度和效果。 ( 4 ) 对产品变型设计和组合设计不够。 本文目的就是提出一个产品配置模型，将设计约束和配置规则等设计知识按照产品 模型结构组织起来，并能在产品配置时得以方便地访问和利用这些知识，在产品模型中 体现面向产品族的设计、模块化设计、参数化设计等设计思想，支持产品的配置设计、 变型设计和组合设计，并为产品创新设计时的知识重用提供一定的支持。 1 4 课题来源 本课题来源于东芝电梯( 上海) 有限公司，委托开发的项目“扶梯快速配置设计系统 。 1 9 9 5 年，东芝电梯在中国成立了沈阳东芝电梯有限公司和上海东芝电梯有限公司，发展 顺畅，近年在国内已取得了1 0 的市场份额。随着房地产业的兴起，东芝电梯业务的不 断拓展，订单也逐年增加，设计压力增大。在这种情况下，东芝公司原有的设计能力已 不能适应对客户快速响应能力的要求。因而产生了本课题要研究的问题，即如何在获得 订单后，在最短时间内生成b o m 和工程图，发放到车间出货。 随着扶梯电梯的产量增加，东芝电梯公司原本的设计方法就产生了一些问题，主要 有以下几个方面： ( 1 ) 从生产上来看：对于整台电梯的生产组装，并不是仅仅简单的按照一套固定的图 纸，从加工到组装最后出货就可以的。因为扶梯的最终安装，是要与建筑物相结合的。 在不同的建筑物中，安装扶梯的井道会有不同的要求，随着井道的不同扶梯的结构将会 有所变化，每一座需要安装扶梯的建筑都会有不同的垂直高度，不同的横向跨度，这就 需要每台扶梯有不同的阶高和跨度。当然，随着阶高和跨度的变化，扶梯的结构将会有 所变化，扶梯内部的零部件选购，如电机，传动链条型号等都会有所变化。这样，每当 公司有一份订单的时候，都会相应的有一个合约，说明此订单所需扶梯的阶高及水平跨 度。此合约首先到达公司技术部，由技术人员根据合约进行相关的计算，然后在扶梯的 标准图纸上进行修改( 一般采用手工划改) ，再下发到车间交由工人生产组装。一般来说， 扶梯中的变化件大约有3 0 左右，具体零件数量有近万个。设计人员在修改图纸时工作 - 6 - 一 一、 t 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 量很大，通常一台扶梯要有二十名左右工程师进行设计，设计周期大约一周。这样的效 率显然无法满足市场需求。此外，由人工根据固定公式和经验公式进行计算和划改，不 可避免的会出现一些错误。这些错误如果不及时的修正，可能会对整台扶梯质量产生影 响，造成不必要的损失。 ( 2 ) 从研发上来看：按照东芝公司传统的研发方式，一种梯型研发出来以后，仅有 几套标准图纸，而一种梯型的所有型号是不可能用几套标准图纸就可以都表示出来的。 随着小批量合同的增加，图纸的修改频率也将进一步加快，手工修改合同已经不能符合 生产要求。 ( 3 ) 从技术的角度上来看：整台扶梯的设计是集体智慧的结晶，包含了大量的领域 专家知识和实践的生产经验。新梯型开发出来后，这种知识与经验需要经由研发部到技 术部最后到车间工人传播开来，只有下层设计人员及工人充分领会开发人员融入设计中 的知识，才能更好的进行同种梯型的型号扩展与实际生产。同时，一个好的产品设计也 需要一个知识反馈系统，即将在实际生产中工人所积累的丰富经验及下层技术人员的想 法回馈到原有设计中，达到对原有设计的补充与改进。此外，公司不可避免的会有人员 流动。如何更好的进行新老员工的知识经验传递也是公司所面临的问题之一。 j 面对如此的挑战并根据电梯生产的实际情况，如果能开发一个c a d 软件系统，把 计算机运算快速、准确的特点和设计人员的经验结合起来，实现快速响应客户的需求。 东芝电梯( 上海) 有限公司根据自身状况，考虑到在生产设计中常用的各种扶梯钣金件结 构变化不大，p r o e 又具备很好的二次开发功能，提出以p r o e 二次开发为起点，结合实 现零部件信息管理与分布式网络协同设计等功能，拟研制开发具有高度前瞻性的“扶梯 快速配置设计系统 。 1 5 论文主要内容 如何根据产品功能需求，解决由需求到产品配置与变型设计的驱动，这是实现快速 响应功能需求的关键。本文通过对产品功能需求的表达与建模，建立了面向变型设计的 产品族动态模型，提出了基于需求驱动的产品可拓配置方法，基于结构单元体现产品变 结构进化设计，开发的原型系统在扶梯产品设计中进行应用。论文具体内容包括： ( 1 ) 产品功能需求信息的表达与建模 产品功能需求是产品设计与制造的依据，功能需求信息的获取与分析是后续产品配 置与变型设计的前提。针对目前需求信息获取与描述方法的不足，本文建立了基于w e b 的产品功能需求交互模型，通过对产品功能需求信息的模糊表达与映射，为实现产品配 置推理提供了基础。 ( 2 ) 面向配置变型设计的产品族动态模型 针对产品配置变型设计的要求，对产品设计中产品族进行定义，分析了产品族功能、 - 7 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 产品族原理和产品族结构。在分析产品族模型基本理论基础上，提出了面向变型设计的 产品动态模型。该模型既从客户的角度描述产品的参数、约束等功能特性。设计人员根 据客户需求，建立产品的功能描述，分析实现各功能的解原理，建立产品的原理模型， 完成概念设计，然后在此基础上进行产品的详细结构设计。 ( 3 ) 产品模块化是组成产品族的基础，是实现产品资源重用的基础，是实现产品配置 和变型设计的关键阐述了产品设计中产品族的定义，分析了产品族的功能以及产品族原 理和产品族结构，分析了面向产品配置变型的设计。在分析产品族模型基本理论的基础 上，对建立面向配置变型的产品族动态模型的基本流程和关键技术进行了分析。 ( 4 ) 为了管理大规模定制模式下庞大的产品品种，给客户提供个性化的需求，产品配 置管理应运而生并已成为研究的热点。大规模定制模式下的产品设计包括两个阶段：产 品族模型的设计，基于产品族的产品配置。此文中第四章阐述了大规模定制模式下的产 品配置技术。 ( 5 ) 产品快速配置系统的研究 主要介绍了产品快速配置平台的总体设计思想，以及平台的功能设计，最后介绍了 开发平台所使用的工具及数据库接口技术。 ( 6 ) 开发了产品快速配置系统并以电梯产品开发为例进行阐述 根据本文提出的理论与方法，开发了满足客户需求的大规模定制下的产品快速配置 变型设计系统。以电梯为例介绍了本系统在扶梯产品中的应用，介绍了系统的设计思想， 开发环境，系统功能与结构以及相关基础数据建立。 1 6 本章小节 本章简单介绍了产品功能需求信息建模技术，概述了产品配置设计的产生和发展， 详细说明了产品配置的概念、研究现状和应用情况，最后对论文各章的内容进行了介绍。 8 _ 东北大学硕士学位论文 第2 章产品需求信息的表达方法与模型建立 第2 章产品需求信息的表达方法与模型建立 功能需求是产品设计与制造的依据，产品功能需求信息的获取和建模是成功实施大 批量定制的前提和基础。针对目前需求信息获取与描述方法的不足，本章建立了基于w e b 的产品功能需求交互模型，通过对产品功能需求信息的模糊表达与映射，实现了模糊框 架推理与基于规则的配置推理方法。 2 1 引言 随着全球化和竞争的加剧，企业之间的竞争开始转向基于时间的竞争和基于顾客需 求的竞争。为顾客提供定制化的产品，全面提高顾客的满意度和企业的服务水平，己经 成为现代企业追求新的竞争优势的一种必然趋势。大规模定制生产模式以其独特的竞争 优势，引起人们的重视，得到迅速的发展。大规模定制的实质是以大规模的生产方式和 速度，为单个客户或小批量多品种的市场定制生产任意数量的产品。即使m c 生产基于 功能需求而不是需求预测